Текущее состояние. Бурение горной породы является одним из самых энергоемких процессов, применяемых в горнодобывающей промышленности, строительстве и геологоразведке. В практике добычи полезных ископаемых наиболее распространённым способом бурения является механический, основанный на вращательном, ударном, ударно-поворотном или вращательно-ударном воздействии на разрушаемый объект. Ударно-поворотный способ, применяемый, как правило, для разрушения горных пород высокой крепости, сочетает в себе ударное воздействие инструментом на горную породу и вращательное движение, которое в том числе обеспечивает удаление шлама. Примерами машин, реализующих такой способ, являются буровые установки НКР, перфораторы, пневмоударники и т.д. Такие машины, как правило, оснащены штыревым безлезвийным буровым инструментом, представляющим собой разнообразные конструкции, отличающиеся типоразмером и материалом изготовления, а также спецификой применения.

Повышение производительности при одновременном снижении энергопотребления являются ключевыми задачами при проектировании и эксплуатации бурового породоразрушающего оборудования. Современные исследования активно используют методы численного моделирования, позволяющие анализировать напряженно-деформированное состояние, как самого инструмента, так и окружающих пород в процессе бурения. Это позволяет оценить эффективность различных конструкций и режимов работы, оптимизировать геометрические параметры инструмента, минимизировать потери энергии на деформацию и увеличить коэффициент полезного действия процесса бурения. 

Несмотря на многочисленные исследования в этой области, единого мнения об оптимальных конструктивных параметрах безлезвийного бурового инструмента до сих пор нет. Существующие разногласия касаются, прежде всего, оптимальной формы рабочей части инструмента, материала изготовления, а также влияния параметров режима бурения на эффективность разрушения породы и износ инструмента.

Решаемая научная проблема. Цель исследования: определение оптимальной структуры и формы рабочей части бурового инструмента.

Методы исследования. Работа проводилась с использованием методов научного обобщения и анализа литературных источников и патентных материалов. В рамках исследования были выполнены численные расчёты, компьютерное моделирование и экспериментальные испытания, направленные на оценку влияния геометрических параметров безлезвийного бурового инструмента на эффективность разрушения горной породы ударом. Экспериментальные исследования выполнялись на лабораторных установках с использованием современных приборов и аппаратуры.

Детали исследования. Эффективность бурения штыревыми коронками горных пород определяется взаимодействием твердосплавных вставок с породой. Одним из ключевых факторов является эффект симультанности, который проявляется в суперпозиции полей напряжений при одновременном воздействии нескольких инденторов. 

Анализ существующих конструкций буровых коронок показал, что оптимальное соотношение расстояния между осями соседних вставок к их диаметру (l_И/d_И) варьируется от 1 до 3. При уменьшении этого значения снижается прочность корпуса коронки, при увеличении – возрастает вероятность разрушения забоя не по всей площади. Оптимальные значения l_И/d_И определены с учетом глубины разрушения породы и количества инденторов на единицу площади рабочей поверхности.

В рамках исследования проведено моделирование распределения напряжений в породе при воздействии двух инденторов из твердого сплава ВК-8, выполненное в T-Flex. Экспериментальная проверка результатов осуществлена на стенде ударного вертикального копра в Санкт-Петербургском горном университете, который позволил исследовать динамические процессы разрушения горной породы.

Недостатки традиционных цилиндросферических вставок привели к разработке новой геометрической формы, основанной на трактрисе. Такая форма обеспечивает равномерный износ, что увеличивает ресурс инструмента и повышает эффективность бурения. Экспериментально установлено, что при использовании новой конструкции породоразрушающих вставок объем разрушения увеличивается на 40 %, а глубина внедрения возрастает на 10 %.

Разработана новая конструкция буровой коронки с породоразрушающей поверхностью в форме синусоиды, что позволило улучшить очистку скважины и повысить эффективность бурения. для инструмента, применяемого при ударно-поворотном бурении, оптимальной величиной l_И/d_И следует считать 1,5, т.к. при незначительном уменьшении объема лунки выкола увеличивается глубина разрушения, а также на 20 % сокращается удельное количество инденторов на единицу площади рабочей поверхности коронки.

Заключение. 1. Установлено, что в предлагаемой конструкции буровой коронки, за счет применения в совокупности с бурильной машиной ударно-поворотного действия новых технических решений конструкций буровой коронки и твердосплавных инденторов, разрушение горной породы происходит не только под каждым индентором, но и в пространстве между ними, то есть за один удар происходит разрушение по всей поверхности забоя, что в совокупности уменьшает энергоемкость процесса бурения.

2. Результаты теоретических исследований и физических экспериментов подтверждают значимость эффекта симультанности при одновременном внедрении группы инденторов и свидетельствуют о необходимости проектирования безлезвийного бурового инструмента с учетом оптимального расстояния между соседними инденторами. 

3. По результатам проведенных исследований:

• обосновано оптимальное расстояние между соседними инденторами;

• доказано, что оптимальное расстояние между соседними инденторами не зависит от формы рабочего участка индентора;

• предложено новое техническое решение индентора с исполнением рабочего участка в форме тела вращения трактрисы;

• предложено новое техническое решение буровой коронки с породоразрушающей поверхностью, выполненной в форме тела вращения синусоиды;

• установлено, что реализация новых технических решений бурового инструмента в сравнении с традиционно применяемыми коронками, оснащенными полусферическими твердосплавными вставками, позволяет увеличить объем разрушения породы на 40 %, увеличить глубину внедрения инденторов 10 %, сократить расход твердого сплава на 20 %